温州软土地区基坑支护方案的优选研究

陶 莉，戴庆斌

（温州职业技术学院 a.建筑工程系；b.后勤基建处，浙江 温州 325035）

温州软土地区基坑支护方案的优选研究

陶 莉a，戴庆斌b

（温州职业技术学院 a.建筑工程系；b.后勤基建处，浙江 温州 325035）

在分析温州地区的环境和地质特点的基础上，总结温州软土地区基坑支护常用的方案，指出基坑支护设计、施工和监理过程中存在的问题。对基于灰理论的基坑支护方案优选方法中的指标重新调整，引入指标权重计算关联度，通过具体的工程实例验证多目标决策方法在基坑支护方案优选的合理性和实用性。

软土地区；基坑工程；基坑支护；方案优选

1 温州地区的环境和地质特点

1.1 环境特点

温州自古就有“七山二水一分田”之说，城市发展与土地稀缺的矛盾一直很突出。在城市发展受到土地资源短缺“横向”约束后，就不得不朝着空中、地下“纵向”发展。合理利用地下空间成为一种趋势，多层地下车库、地下商城等地下城市综合体也越来越多，基坑也越挖越大、越挖越深。这对温州地区基坑工程的设计、施工和监测都提出了更高的要求。

1.2 地质特点

温州地处浙江东南沿海，平原区为海积平原，土层从上到下一般依次为：

（1）耕植土和杂填土。耕植土层厚度约0.5 m左右，部分区域有杂填土层，厚度不等。

（2）粘土。粘土厚度一般从零点几米到一二米不等，俗称“地表硬壳层”，土质相对于下面的软土层来说，含水率较低内，摩擦角较大。但该土层常在基坑支护过程中作为“卸载”的对象而被挖去，故对基坑支护设计、施工的影响不是很大。

（3）淤泥或淤泥质粘土。该土层俗称“软土”，一般厚度从十几米到三四十米不等，含水率一般都很高，呈流塑状、高灵敏度、高压缩性。绝大部分的基坑支护施工均位于该土层，该土层也是温州地区基坑支护设计、施工、监测的主要对象。

（4）粘土，间或含有粉砂层。该土层一般厚度都不太大，从一二米到七八米不等，有些区域缺失，偶而有的厚度会超过10 m。

（5）砾石或卵石。基坑支护一般很少涉及到该土层，偶而有一些超深基坑工程的挡土墙底端嵌固在该土层中。

从土层分布来看，温州地区的地质条件非常特殊，深厚软土不但影响了基坑工程的设计和施工，同时由于土质松软、高灵敏度，在基坑开挖过程中极易对周边建（构）筑物和地下管线造成重大影响，若处理不当容易引发事故。

2 温州软土地区基坑支护方案选择现状

温州地区基坑支护方案选择，随着基坑深度的不断增加、基坑平面尺寸不断扩张而呈现出多样性变化。除个别基坑支护方案受施工条件所限未曾采用过外，如S W M工法（加筋水泥土墙中之一的型钢水泥土搅拌墙）因温州地区缺少施工机械而未曾采用过，国内常见的基坑支护方案基本上都在温州地区采用过。温州软土地区基坑支护常用的方案有以下几种：

2.1 钢板桩

钢板桩因其造价低、可重复利用、施工快速简单等特点，在温州相对较浅的基坑支护中应用非常广泛。但温州地区所采用的挡土钢板与国内其他地区所采用的不太一样，国内其他地区的挡土钢板一般是采用由带钳口或锁口的热轧型钢相互连接成钢板桩墙，这种钢板桩结构既能挡土又能挡水。由于温州地区的软土透水率很低，当基坑较浅时，对钢板桩的挡水要求不是很高，但温州地区的土质非常软，侧向土压力较大，若钢板桩采用较薄的热轧型钢，挡土墙会产生很大的变形，因而温州地区常采用刚度较大的槽钢作为挡土钢板。当基坑深度相对较深、土侧压力过大时，还需要在钢板桩增设支撑或土层锚杆，以增强钢板桩抵抗主动土压力的能力。

2.2 土钉墙

土钉墙主要是以薄钢筋混凝土面层加土钉（温州地区常用φ48*2.5 m m的无缝钢管制作土钉锚杆）来抵抗土体的主动土压力，通过压管注浆等超前支护措施加强锚杆的抗拔力，同时也可增强土体的自稳性。温州地区的软土具有一定的自稳能力，开挖后可给土钉施工一定的时间。土钉墙在温州软土地区的应用非常广泛。钢筋混凝土面层主要将部分主动土压力挡住后，通过锚杆与钢混面层的连接构件把荷载传递给锚杆。因此，钢筋混凝土面层与锚杆的连接是否牢靠是土钉墙支护方案能否成功的关键环节之一。土钉墙中的锚杆一般有两类：一类是近似水平设置的锚杆。它主要通过压管注浆在土钉锚杆的锚固段加固土体形成锚固段扩大头，以增强土钉锚杆的侧阻力和锚固力，从而达到提高抗拔力的作用。另一类是垂直设置的锚杆。它主要通过压管注浆在锚杆全长范围内加固土体，提高土体的抗剪能力，同时也利用锚杆本身对土体的“加筋”作用提高基坑壁的稳定性。有些工程也有采用松木桩作为垂直土钉，这种土钉只有对土体的“加筋”作用。

2.3 深层搅拌桩

温州地区的深层搅拌桩(水泥土墙)主要利用水泥等胶结材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将胶结材料强制拌入软土内，让水泥等胶结材料与软土之间发生一系列的物理化学反应，使软土硬结成具有一定强度、整体性和水稳定性的“桩体”，多根（排）桩体组合成块体，进而构成重力坝式挡土墙体。这种深层搅拌桩既能挡土又能挡水。深层搅拌桩挡墙靠自身重量即可抵抗侧向土压力，并保持稳定，内部一般不设支撑，便于基坑内施工作业。当基坑相对较深，深层搅拌桩体的抗折能力不能满足要求时，常在桩体内插入毛竹片、钢管等抗剪、抗折材料，起到对桩体“加筋”作用，增强桩体的抗剪、抗折能力。

2.4排桩

排桩是温州地区基坑支护方案选择中的一个主要类型。一般采用钢筋混凝土灌注桩或预应力混凝土管桩沿坑壁按柱列方式间隔布置作为主要挡土结构，并在桩顶浇注钢筋混凝土冠梁连接各桩[1]。当土压力较大时，可在冠梁处设置坑内支撑或土层锚杆；当基坑较深一道支撑无法满足要求时，可在冠梁以下再设置一道或数道围檩和支撑或多层锚杆。坑内支撑一般有钢筋混凝土支撑和钢（钢管、叠合槽钢钢构）支撑两类。钢筋混凝土支撑结构整体性好、可靠性高；钢支撑整体性较差，施工中容易受外界干扰而出现质量问题。

由于软土所能提供的锚固力相对较小，温州地区鲜见设置锚杆来抵抗土压力以降低排桩变形。当要求排桩结构具有防渗功能时，常在桩间和桩背设置深层防水搅拌桩或旋喷桩等防水帷幕。当坑外有重要建（构）筑物或有重要地下管线需要保护时，有时也在坑外设置深层水泥搅拌桩以加固土体、减小主动区土压力。另外，设有支撑的排桩支护的坑壁刚度较大，整体性较好，但坑内土体相对于坑壁刚度和抵抗变形的能力要小得多，因而为了增加坑脚处土体强度和刚度，减小坑底土体隆起，增强基坑的整体稳定性，常在基坑底沿排桩周边用水泥搅拌桩或注浆等方式对被动区土体进行加固，以提高被动区土体的强度,降低其支护结构的变形。

2.5 地下连续墙

当基坑开挖深度过大，松散的排桩支护体系的整体刚度无法满足变形要求时，需要增强挡土墙的整体刚度；而基坑过深时，基坑支护系统的造价也很高。为此，可将基坑支护系统中部分投入转化为工程实体（地下室外墙）的一部分，以降低工程造价，地下连续墙正好满足这一要求。温州世贸中心基坑支护工程是地下连续墙基坑支护设计方案的典型工程[2]。

近年来，随着旧城改造的不断推进，建筑设计受周边环境的制约越来越多，基坑支护在平面上的形状也变得越来越不规则，同一基坑内不同位置的开挖深度也不尽相同。单一的基坑支护方案往往不能满足施工要求。为了实现安全、经济等要求的协调统一，往往在同一基坑内采用不同类型的基坑支护方案组合应用。温州大剧院的基坑支护施工是典型工程[3]。该基坑工程位于温州市城市中心区，沿基坑周围既有与施工场地紧邻的城市主干道路，又有场地开阔的施工预留地。整个建筑呈金鲤鱼尾部造型，地型复杂，施工难度极大。各区域功能不一，致使基坑开挖深浅不一，且相差较大。为了达到既安全又经济的目的，该基坑工程采用基坑支护方案组合应用：对开挖深度为6.35 m和6.85 m的采用土钉墙方案；对开挖深度为10.55 m的采用土钉墙+灌注排桩方案；对开挖深度为10.55 m,且在基坑开挖至标高-7.25 m(即开挖深度为6.35 m)处存在平台时，则采用土钉墙+疏排桩方案。

3 温州软土地区基坑支护设计、施工过程中存在的问题

基坑工程所研究的对象——土体本身差异性很大，且又位于地下，相对于土木工程的其他分支来说，设计理论还不够完善，设计方案也不是很成熟，现在尚处于半理论半经验的设计阶段，基坑工程出现的问题也相对较多。

3.1 设计问题

地下工程本身复杂多变，再加上温州地区河网密布、地下水位高，且随着雨季、台风等季节性气候变化导致设计过程中需考虑的因素多，设计难度大[4]。因设计人员本身的技术问题，致使设计方案中出现瑕疵、甚至错误；设计人员对基坑支护方案的技术交底不到位，从而导致施工过程中未能对关键问题引起足够的重视，对险情预估不足，准备不充分。如有些土钉墙中对各层锚杆自由段未予明确，对锚固段和自由段的注浆也未作说明，使施工队伍不明确技术质量要求，从而在锚杆制作和注浆作业中增加了随意性，甚至导致质量失控，严重影响了设计意图的贯彻和工程质量的保证[5]。

3.2 建设单位问题

建设单位为了追求经济效益，不愿在“临时性”的基坑工程中投入过多，同时也抱着侥幸心理，主观要求设计单位降低设计标准，以达到节省投资的目的。为了赶工程，压缩基坑施工工期，基坑施工过程中的时空效应得不到充分释放等[6]。

3.3 施工、监理和监测问题

施工和监理人员技术力量不强，施工管理不到位，对关键问题把握不准，施工中不能对有关可能出现的险情作出充分的预估和防范，施工过程中擅自更改既定的施工方案。如未严格按照先支后挖的工序施工，土方超挖[7]；坑顶堆设土方、建材等重物导致坡顶荷载超过原设计取值等。施工与监测常分属不同的单位，由于监测单位不常驻现场，有时一个监测小组要负责多个项目的监测工作，监测过程变成了“走马观花”，测试数据反馈不及时，对先期暴露出来的一些“预兆”不能及时捕捉，给施工过程中的问题发现造成不必要的“障碍”。

4 温州软土地区基坑支护方案优选及应用

每个基坑工程都有自身的特点，往往满足要求的基坑支护方案不止一个，每个方案都有优势，但不同的方案有不同的侧重点。因此，需要有科学的方法来合理评价基坑支护方案的优劣，或者在几个备选方案中挑选出最优的方案，则需要综合考虑各方面的因素。

4.1 构建评价指标体系

参照文献[8]的评价方法，构建基坑支护方案优选评价指标体系（见表1）。其中，一级指标4个，二级指标10个，三级指标15个。

文献[8]中对各备选方案与理想方案之间的关联度进行计算时，是将所有指标的重要性都同等看待，但事实上，不同重要程度的指标在计算关联度的过程中应有所区别。本文对其关联系数的计算方法加以改进，引入权重因子分别对每个指标的关联系数进行折算，然后再计算出总的关联度。

4.2 应用实例

拟建工程位于温州市高教园区内，该工程地下室建筑面积约4590 m2。本基坑工程地下室剪力墙线距东侧拟建实训综合楼最近12.7 m；西南侧距围墙9.40 m，区间道路14.9 m；西北侧距学校操场7.1 m；东北侧距雨水管最近约9.3 m，距1#教学楼最近约32.9 m。基坑开挖深度至底板底5.30 m，至承台底6.10 m。基坑支护所涉地基土层自上而下为：a.杂填土，土质不均匀，为人工新近回填而成，厚度为1.00～1.70 m。b.粘土，软塑—可塑状，中—高压缩性，厚度为1.10～1.50 m。c.淤泥，流塑状，高压缩性，局部夹少量粉砂、粉土团块，厚度为7.10～10.50 m；d.淤泥，灰色，流塑状，高系压缩性，厚度为10.00～13.20 m。基坑支护备选方案有三个：方案A1为排桩加内支撑；方案A2为水泥搅拌桩重力式挡墙；方案A3为放坡加复合土钉。

表1 基坑支护方案优选评价指标体

表2 专家对备选方案一、二级指标的评价

表3 专家对备选方案三级指标的评价

对于具有多个下一级指标的指标，可以利用层次分析法根据专家打分构造判断矩阵并计算出其重要性排序，从而计算出各指标的权重。本文直接给出权重分配，四个一级指标权重分别为ωA={0.5，0.3，0.1,0.1}。具有多个二级指标的一级指标的权重分别为：ωB1={0.4，0.6}，ωB3={0.7,0.3}，ωB4={0.2，0.1，0.1，0.2，0.4}；具有多个三级指标的二级指标的权重分别为：ωC2={0.3，0.3，0.4}，ωC5={0.4，0.3，0.3}，ωC8={0.6，0.4}。

（1）专家评价。按照表1的评价指标体系请专家对备选方案进行逻辑推理评价（见表2、表3）。

（2）一致性检验。对具有多个下一级指标的指标进行一致性检验。经过计算，一级指标中，最大偏差值Lmax=0.15<0.2，平均偏差L=0.081<0.1；二级指标中，最大偏差值Lmax=0.11<0.2，平均偏差L=0.073<0.1；三级指标中，最大偏差值Lmax=0.08<0.2，平均偏差I=0.062<0.1。可见，专家评分具有较好的一致性。

（3）关联度计算。在计算灰关联度前，先对各指标参数进行标准化处理。本文将各方案的指标参数除以这一指标中的最大值，然后进行灰关联度计算。以三级指标作为计算参数，备选方案与理想方案的加权灰关联系数见表4。

根据（2）式分别计算出备选方案与理想方案的关联度，γ1=0.755，γ2=0.692，γ3=0.562，即γ1>γ2>γ3。备选方案A1与理想方案的关联度最大。为验证该结论，再分别以一、二级指标作为计算参数进行关联度计算，依然是γ1>γ2>γ3，备选方案A1仍为最优方案。这与该工程实际所采用的方案结果是吻合的。

表4 备选方案与理想方案的加权灰关联系数

5 结束语

温州地区的软土具有鲜明的区域特征，基坑支护结构形式也与其他地区不太一样。针对温州软土地区基坑支护方案在设计、施工和监理过程中存在的问题，提出通过多目标决策方法在多个备选方案中优选出与理想方案最接近的方案。实践证明，本方法对多目标选择理想基坑支护方案非常适用，既有完整的理论基础，又可充分利用专家经验进行评判，而且计算过程也比较简便，便于推广应用。

[1] 郑笑芳，金瓯. 温州国贸中心基坑支护技术[J]. 施工技术，2009，38(1):74-75，80.

[2] 水伟厚，杨刘柱，孙斌. 温州世贸中心基坑工程施工监测[J].岩土工程学报，2006，28(S):1811-1814.

[3] 屠毓敏，阮长青，赵向前，等. 温州大剧院深基坑支护技术[ J ] .岩土工程学报，2006，28(1):59-62.

[4] 来淑娜，王潮江，黄金，等. 温州软土地区深基坑工程环境效应研究[ J ] .中国水运，2009，9 (8 ):263-264.

[5] 徐佩林，倪明连. 温州地区土钉墙围护基坑事故频发的原因与对策[ J ] .探矿工程，2005 (7 ):22 -25 .

[6] 杨芳. 温州软土地基深基坑支护的现状和分析[ J ] .河北工程技术高等专科学校学报，2003 (1 ):32 -34 .

[7] 骆佳成，郑松寿. 温州某大厦深基坑支护倒塌的原因分析[ J ] .探矿工程，1999(3):25-27.

[8] 陶莉，阮连法. 基于灰理论的基坑支护方案优选研究[ J ] .低温建筑技术，2008(1):97-99.

Research on Selection of Foundation Pit in Wenzhou Soft Soil Area

TAO Lia, DAI Qingbinb
(a.Architectural Engineering Department;b.Logistics Basic Construction Section,Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou,325035,China)

Analyzing the environmental and geological characteristics of Wenzhou and summing up the usual scheme of foundation pit in Wenzhou soft soil area, this paper presents the problems in the design, construction and supervision of foundation pit. On the basis of Gray Theory, it adapts the index in selection scheme of foundation pit,introduces the index-weight correlation and proves the rationality and practicability of the multi-objective decision making method through specific projects.

Soft soil area; Foundation project; Foundation pit; Selection of schemes

T U94+2

A

1671-4326(2011)02-0051-05

2011-04-06

温州市科技计划项目（S20090026）

陶 莉（1975—），女，宁夏中卫人，温州职业技术学院建筑工程系讲师，工程师；戴庆斌（1976—），男，安徽和县人，温州职业技术学院后勤基建处，讲师，工程师.

黄淑森]